专利名称：一种电池模拟器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及大容量储能电池领域以及电力电子技术领域，具体涉及一种电池模拟器，用以模拟真实的电池(组)的工作外特性，适用锂离子电池、铅酸蓄电池、光伏电池、燃料电池、液流电池和钠硫电池等等。
背景技术：
随着智能电网建设的开展，风电、光能可再生能源发电技术的成熟，大规模大容量的储能电池(如锂离子电池、铅酸蓄电池、光伏电池、燃料电池、液流电池和钠硫电池等等)应用于可再生能源发电系统将起到平滑功率波动、削峰填谷和提高电网可靠性的作用。电池应用于电网储能，是很前沿的研究方向，但是目前仍存在技术、安全和成本方面的制约因素。对于电池在电力系统中的研究,往往只关心电池的外特性而不关心电池的内部机理,而电池模拟器是一种模拟电池外特性的装置，电池模拟器有着巨大的市场和使用价值。在实 际的研究和试验中使用真实的电池原型将会有成本高、维护困难、电池参数变更不灵活等问题，而且可能会有损坏电池的风险。同时对不用的电池进行研究需要高成本购买各种不同种类的电池，电池的购买和维护提高了研究成本，而随着更多新型储能电池的出现，使用电池原型进行试验和研究是不现实的。而通用模拟器的出现将会减少研究成本、加快研究进度、便于灵活改变电池参数和模拟多种电池。目前已有铅酸蓄电池、燃料电池、光伏电池模拟器等，这些电池模拟器存在着能量无法双向流动、拓扑无法满足性能、成本高等问题，同时这些电池模拟器都是单一的针对某种电池原型，无法扩展到模拟所有的电池原型，本实用新型提供一种电池模拟方法及电池模拟器，用于解决上述不足，同时三电平的拓扑结构使得本实用新型具有更好的模拟效果。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种结构简单、使用方便、参数可调的电池模拟器，能实现对真实的电池的工作特性的模拟。电池模拟器，包括三相三电平电压型PWM变流器(VSC)，其特征在于，三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的驱动输入端依次连接IGBT驱动电路(I)、控制器⑵和电流电压测量/保护电路⑶的输出端，控制器⑵连接人机界面⑷；三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的三个交流输入端均连接三相交流接触器(KM)，三相交流接触器(KM)连接三相隔离变压器(I'M)的三个输出端，三相隔离变压器(I'M)的三个输入端分别一一对应连接一熔断器(FUSE)后再一起连接到市电；三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的一个直流输出端串接熔断器(FUSE);电流电压测量/保护电路(3)的第一输入端连接电压型PWM变流器(VSC)的交流输入端，电流电压测量/保护电路(3)的第二输入端连接三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的直流输出端。所述电流电压测量/保护电路(3)包括一个信号处理电路、三个一端分别连接在三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的交流输入端和三相交流接触器(KM)之间，另一端连接信号处理电路的交流电流传感器、三个一端分别连接在三相隔离变压器(TM)的三个输入端两两之间，另一端连接信号处理电路的交流电流传感器的交流电压传感器、一个连接在三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的直流输出端与信号处理电路之间的直流电压传感器、一个串接在三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的直流输出端与信号处理电路之间的直流电流传感器。本实用新型的技术效果体现在本实用新型以电池电压、电流和荷电状态等电池参数之间的关系为基础，在工作过程中通过实时检测模拟器工作电流，结合当前S0C，以及其它的电池参数(如温度、光照等)得到电池电压的参考值vMf。控制器以Vref为给定值，控制模拟器的最终直流输出电压使其等于vMf。同时在工作过程中根据工作情况更新荷电状态S0C，通过这种方法达到动态、高精度模拟电池电压、电流和荷电状态SOC的目标，克服了其它电池模拟方法只考虑电池电流和电池电压两者关系的不足。近年来，随着储能技术的发展，电池的电压等级、功率和容量日益增大，因而对电池模拟器的电压等级和容量提出了更高的要求。多电平变流器应用于电池模拟器领域，能够很好的解决上述问题。目前还没有将三电平的拓扑结构用于电池模拟器的应用场合。本实用新型电池模拟器使用三电平的拓扑结构，相比于两电平拓扑，三电平变流器具有十分明显的优势。两电平拓扑结构的不足之处在于当期应用于高压场合时，需要使用高反压的功率开关管或将多个功率开关管串联使用。此外由于两电平VSC交流侧输出电压总在二电平上切换，当开关频率不高时，将导致谐波含量相对较大，而三电平的具有中点钳位的拓扑结构可以解决这些问题。三相三电平电压型PWM变流器(VSC)设计了具有中点钳位的三相三电平PWM变流器(VSC)拓扑结构，这种拓扑结构中，有多个功率开关管串联使用，并使用二极管钳位，以获得交流输出电压的三电平调制。显然，三相三电平PWM变流器(VSC)在提高耐压等级的同时，有效地降低了交流侧谐波电压、电流，从而改善了网侧波形品质。本实用新型电池模拟器的优点具体体现在三个方面一是本实用新型在现有的电池模拟器的基础上进行创新，采用三相三电平电压型PWM变流器(VSC)作为主拓扑，具有创新性，此拓扑能够满足能力双向流动的要求。二是本实用新型实用性好、使用范围广，模拟器的参数可以灵活调整和更换，并且可以模拟多种电池。三是三相三电平电压型PWM变流器(VSC)具有提高耐压等级、有效降低交流侧谐波电流改善电网品质等优点。在电池模拟器中增加了三相可调变压器TU，通过调节三相可调变压器来达到调节三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的交流输入电压，使得直流输出端之间的电压范围可以覆盖几十伏到几百伏不等，从而实现电池参数的可调功能。此外，由于参数可调，故电抗器L和直流电解电容C1、C2均设计为可调形式，从而保证电池模拟器在模拟不同电池参数(电压、电流等)的实验中都能有良好的波形效果。其中，P点模拟电池的阳极，N点模拟电池的阴极。通过选取合适的控制策略，可以达到P、N点之间的电压、电流变化特性与真实电池的外特性一致的效果，此装置具有很高实用和工程价值。
图I为本实用新型电池模拟远离示意图；图2为本实用新型三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的双闭环控制流程图；[0012]图3为锂离子电池的等效数学模型；图4为本实用新型的实施例所模拟的锂离子电池工作特性示意图；图5为本实用新型的电路示意图；图6为本实用新型的三相三电平电压型PWM变流器(VSC)拓扑图；图7为本实用新型的信号处理电路的组成示意图；图8为本实用新型的人机界面的组成示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述，但该实施方式不应理解为对本实用新型的限制。 本实用新型电池模拟方法，具体为(I)设置电池的初始参数，初始参数包括荷电状态SOC和容量C ；(2)采集模拟器当前的输出直流电压V。和输出直流电流I。，依据I。和SOC计算电池直流电压参考值VMf ;(3)以Vref为给定值，V0为反馈量对模拟器进行电压闭环反馈控制；(4)采用电压闭环反馈控制的输出作为调制信号产生正弦脉宽调制波SPWM，利用正弦脉宽调制波SPWM控制模拟器使得其直流输出电压V。等于VMf ；(5)依据I。、V。、C和上一个模拟周期的SOC更新当前的SOC ；(6)重复⑵ (5)直到模拟结束。步骤(2)中，针对不同种类的电池采用相对应的给定电压计算方式，例如铅酸蓄电池的直流电压参考值为
Kef =(1.9586 + 0.2495 *SOC + ^+ (1 ,^0 1667 + . 1558))(1 - 0.025(7^ - 25))
(T为温度，I。为电池电流，SOC为荷电状态)；液流电池的直流电压参考值为
,v (K + Vlow X SOQx Vstack + (Rreaction + Rresistive )xVlowxSOCx Io
k _|_ Y X SOC I IPyeaction + Rresistive) ^ ^low ^ ^OC (^stack 是电堆电压，
T lowJJ
FixedLosses
代表电化学反应内部损耗的等效电阻，Rresistive代表电堆内部电流损耗的等效电阻，RFiXedLoSSeS代表寄生损耗中的固定不变部分，kT等于42. 5%，V1ot代表放电电压下限，I。为电池电流，SOC为荷电状态)，锂电池的直流电压参考值VMf参见下文实例。上述计算方法只是示例，应用中不局限于此。步骤(3)中，电压闭环反馈控制可采用电压外环电流内环的双闭环控制、间接电流控制、滞环控制等方法，优选双闭环控制。步骤(5)的荷电状态SOC更新公式为SOC = SCX^ItjX V。X A t/C，At为模拟周期。下面采用双闭环控制，并以串联级数为30的锂离子电池为例，结合图I和图2进一步详细说明本实用新型电池模拟方法，具体为(I)设置锂离子电池的电池初始参数荷电状态SOC的初始值可以为0 I之间的某一个数值，本实例设为0. 5 ;容量C可任意取值，本实例容量C设为5kWh。(2)采集模拟器当前的输出直流电压V。和输出直流电流I。，以及输入交流电流Ia、Ib、i。和输入交流电压Va、vb、v。，依据I。和SOC计算电池直流电压参考值Vref，对Ia、Ib、I。作dq解耦变换得到d轴电流id和q轴电流iq，对Va、Vb、V。作dq解耦变换得到d轴电压ed和q轴电压eq ；其中，步骤(2)可采用查表法、折线法或者模型法来计算直流电压参考值VMf。查表法在获取大量的电池原型外特性数据的基础上，将外特性通过表格形式存储于控制器中，工作时通过查表、插值的方法获得一定的电池电流I。和SOC下的电压给定值VMf。折线法用分段直线的方法去拟合电池的非线性外特性函数，在工作时根据电池电流I。和SOC以及所在直线区间计算得到电压给定值vMf。模型法即建立电池的等效高精度数学模型，并得到电池的外特性方程表达式，并将此表达式作为电压给定值Vref的计算公式。下面以模型法为例详细说明参见图3，为锂离子电池单体的高精度数学模型。模型中，直流输出电流为Ibat，直流输出电压为vbat，电堆电压为Vstadi, RMac;ti()n代表电化学内部损耗等效电阻，Rmistive代表电堆内部电流损耗等效电阻，Crearfton代表等效电容。以串联级数为30、容量为5kWh、输出功 率为3300W的电池单体为例，根据文献以及建模结果可知，模型中的参数分别为R,esistive =67. 33m Q，Rreaction = 33. 66m Q , Creaciton = 0. 133F, Vstack 由下式确定
0 Qv SOCVstack =30x(3.797 + 0.1829xln(—^―))
stack\-0.9xSOC
当前储存的能量式中SOC为荷电状态，其定义为=，SOC的计算方法为
思谷里
,I^ _HXAt-------
capacity其中，A t是计算的时间间隔。综上，电池的外特性方程为
09 X SOCK =113.91 + 5.487xln(~^)) + 0.101x/^
batl-0.9x SOCbat电池的外特性是模拟的目标值，因此可将电池的外特性方程设为电池电压给定值Vref的计算公式。参见图4，为根据电池外特性方程绘制得到的锂离子电池三维特性曲面图，此特性为模拟器的实现提供了重要的保证。从图中可以看出，在SOC为0 I、电池电流为-40A 40A的时候，锂离子电池电压的变化范围为90 130V。(3)以VMf为给定值，V。为反馈量进行电压外环反馈控制，输出d轴电流指令值id%另将q轴电流指令值设置为0;电压外环的作用是控制三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的直流输出电压稳定保持不变。Vref和V。相减得到偏差电压AV1 = Vref-Vtj, AV1送入电压外环PI控制器，输出d轴电流指令值i/。其中，q轴电流指令值为电流的无功分量，为了充分利用模拟器的容量以及减少对电网的谐波干扰，这里可以设置为0，即模拟器工作在单位功率因数状态。(4)以i/和为给定值，id和i,为反馈量进行电流内环反馈控制，输出电流内环d轴分量Ed和q轴分量Eq ；[0045]电流内环的作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，如实现单位功率因素正弦波电流控制。i/和id相减得到偏差电压Aid=i/-id，Aid送入电流内环PI控制器，输出电流内环d轴分量Ed。i:和i,相减得到偏差电压A = <-1,，Aiq送入电流内环PI控制器，输出电流内环q轴分量Eq。(5) Ed、Eq, id、iq、ed和e,经过前馈解耦控制后得到d轴调制电压Vd和q轴调制电压V前馈解耦控制可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，控制方程如下vd = -Ed+wLiq+edvq = -Eq-wLid+eq式中，《为角频率，等于2iif，f为电网频率50Hz，L为电抗器的电抗值，这里电抗器的值为ImH。(6)采用Vd和Vq作为调制信号产生正弦脉宽调制波SPWM，以控制三相三电平电压型PWM变流器VSC的IGBT的开关状态使得V。等于Nref ；根据调制信号Vd和Vq可产生相应的SPWM波，以驱动三相三电平电压型PWM变流器VSC的IGBT的开通与关断，其目的是控制模拟器直流侧电压V。使其等于给定值VMf，从而实现对电池外特性的模拟。(7)依据I。、V。、C和上一个模拟周期的SOC更新当前的S0C，并且不断重复⑵
(7)直到模拟结束。步骤(7)中的荷电状态SOC的更新公式为SOC = SOC+I。X V0X A t/C式中At为模拟周期，并且限制SOC的范围为0 I。由于I。和SOC不断变化，则相应的Vref也会不断变化，在此模拟方式下，V0也会随着VMf的变化而变化，实现对锂离子电池外特性的动态模拟。上述实施方式是以单体串联级数为30的电池储能体为例，如果单体串联级数发生了变化，或者需要模拟其它种类的电池，则只需重新建模，然后简单的改变一下模拟器的参数便可继续试验。比如重新调整可调电抗器L的值、直流电解电容Cl、C2以及改变一些控制参数，便可以保证有良好的波形效果。除此之外，在不同的串联级数和不同电池的情况下，其余的工作原理和实现方式和上述一致。图5给出了本实用新型电池模拟器结构示意图，电池模拟器包括三相三电平电压型PWM变流器VSC，其特征在于，三相三电平电压型PWM变流器VSC的驱动输入端依次连接IGBT驱动电路I、控制器2和电流电压测量/保护电路3的输出端，控制器2连接人机界面4 ;三相三电平电压型PWM变流器VSC的三个交流输入端均连接三相交流接触器KM，三相交流接触器KM连接三相隔离变压器TM的三个输出端，三相隔离变压器TM的三个输入端分别——对应连接一熔断器FUSE后再一起连接到市电；三相三电平电压型PWM变流器VSC的一个直流输出端串接一熔断器FUSE ;电流电压测量/保护电路3的第一输入端连接三相三电平电压型PWM变流器VSC的交流输入端，电流电压测量/保护电路3的第二输入端连接三相三电平电压型PWM变流器VSC的直流输出端。所述电流电压测量/保护电路3包括一个信号处理电路、三个一端分别连接在三相三电平电压型PWM变流器VSC的交流输入端和三相交流接触器KM之间，另一端连接信号处理电路的交流电流传感器、三个一端分别连接在三相隔离变压器TM的三个输入端两两之间，另一端连接信号处理电路的交流电流传感器的交流电压传感器、一个连接在三相三电平电压型PWM变流器VSC的直流输出端与信号处理电路之间的直流电压传感器、一个串接在三相三电平电压型PWM变流器VSC的直流输出端与信号处理电路之间的直流电流传感器。此外，电流电压测量/保护电路3还具有保护功能。当传感器检测到的电压、电流值过大，发生过压、过流故障时，将会报警并通知控制器，控制器停止向开关器件发生脉冲，同时控制器向接触器发出跳闸指令，以保护模拟器不损坏。参加图6，给出了三相三电平电压型PWM变流器VSC拓扑结构图，如图所示，全控器件IGBT数量为二电平电压型PWM变流器(VSC)的两倍，多个功率开关管串联使用，并采用二极管钳位。参见图7，为信号处理电路的组成示意图。信号处理电路3包括直流电压处理单元、直流电流处理单元、交流处理采集单元、交流电流处理单元、频率测量单元、相序测量单元、开入开出单元、过流过压保护单元。直流电压处理单元将直流电压传感器的输出信号进行转换、滤波后送入控制器进行AD转换，直流电流处理单元将直流电流传感器的输出信号 进行转换、滤波后送入控制器进行AD转换，交流电压处理单元将交流电压传感器的输出信号进行转换、滤波后送入控制器进行AD转换，交流电流处理单元将交流电流传感器的输出信号进行转换、滤波后送入控制器进行AD转换。频率测量单元用于测量三相三电平电压型PWM变流器VSC交流侧输出频率以便锁相，相序检测单元用于检测三相三电平电压型PWM变流器VSC交流侧输出电压的相序，开入开出单元用于检测和控制模拟器中的开关装置，过流过压保护单元用于防止模拟器出现过电流、过电压的故障情况。参见图8，为人机界面组成示意图。人机界面4包括输入模块、显示模块、开关模块和指示灯模块。输入模块用于设定参数，比如设定SOC初始值、串联级数n、容量C等。显示模块用于显示模拟器当前的状态量，比如当前S0C、串联级数n等。开关模块用于控制模拟器中的开关装置，比如接触器等。指示灯模块用于指示模拟器当前的工作状态，比如上电、断电、报警等。作为优化，如果还要实现高级功能，例如故障分析、故障录波、实验数据分析、处理与绘制等，可以在模拟器中增加上位机5。控制器主要是依据电流电压测量/保护电路3采集的电压电流信号进行处理得到控制信号，可采用DSP处理器或微处理器实现。本实用新型在使用的时候在A、B、C三个端口接入380V的市电，同时在上述实施例中三相三电平电压型PWM变流器VSC中的可调电抗器L的取值为ImH，直流输出端的电解电容Cl和C2的取值为2200uF，通过这样调节电路参数可保证在90 130V的电压等级内输出波形良好。在模拟器工作的过程中，可通过显示模块观察当前的S0C，通过指示灯了解模拟器的工作状态，通过上位机5进行数据分析、处理与绘制，方便调试和试验。特别指出，三相三电平电压型PWM变流器(VSC)可以实现四象限运行，三相三电平电压型PWM变流器(VSC)既可工作在整流状态还可工作在逆变的状态，即整个模拟器的能量是可以双向流动的。电池模拟器可以自动的根据最终直流侧的外部状态来决定其运行象限，且不同状态时控制策略均一致。当模拟器模拟充电时，三相三电平电压型PWM变流器(VSC)工作于逆变状态，能量从直流侧传输到交流侧；当模拟器模拟放电时，三相三电平电压型PWM变流器(VSC)工作于整流状态，能量从交流侧传输到直流侧。因而本实用新型具有模拟输出直流电压范围宽的特点和优势。 本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。
权利要求1.一种电池模拟器，包括三相三电平电压型PWM变流器(KST)，其特征在于，三相三电平电压型PWM变流器(KSf)的驱动输入端依次连接IGBT驱动电路(I)、控制器(2)和电流电压测量/保护电路(3)的输出端，控制器(2)连接人机界面(4);三相三电平电压型PWM变流器(VSO的三个交流输入端均连接三相交流接触器000，三相交流接触器麵连接三相隔离变压器(I)的三个输出端，三相隔离变压器(M)的三个输入端分别一一对应连接一熔断器(FUSE)后再一起连接到市电；三相三电平电压型PWM变流器(KW)的一个直流输出端串接熔断器(FUSE);电流电压测量/保护电路(3)的第一输入端连接电压型PWM变流器(VSC)的交流输入端，电流电压测量/保护电路(3 )的第二输入端连接三相三电平电压型PWM变流器(VSO的直流输出端。
2.根据权利要求I所述的电池模拟器，其特征在于，所述电流电压测量/保护电路(3)包括一个信号处理电路、三个一端分别连接在三相三电平电压型PWM变流器(KW)的交流输入端和三相交流接触器OfiO之间，另一端连接信号处理电路的交流电流传感器、三个一端分别连接在三相隔离变压器(I)的三个输入端两两之间，另一端连接信号处理电路的交流电流传感器的交流电压传感器、一个连接在三相三电平电压型PWM变流器(KW)的直流输出端与信号处理电路之间的直流电压传感器、一个串接在三相三电平电压型PWM变流器(VSO的直流输出端与信号处理电路之间的直流电流传感器。
专利摘要本实用新型涉及一种电池模拟器，包括三相三电平电压型PWM变流器，三相三电平电压型PWM变流器的驱动输入端依次连接IGBT驱动电路、控制器和电流电压测量/保护电路，控制器连接人机界面；三相三电平电压型PWM变流器的交流输入端均连接三相交流接触器，三相交流接触器连接三相隔离变压器的输出端，三相隔离变压器的输入端连接熔断器后再连接到市电；三相三电平电压型PWM变流器的直流输出端串接熔断器；电流电压测量/保护电路的第一输入端连接电压型PWM变流器的交流输入端，电流电压测量/保护电路的第二输入端连接三相三电平电压型PWM变流器的直流输出端。本实用新型能够动态、高精度地模拟真实电池的工作特性，模拟器结构简单、使用方便、参数可调、实用性好。
文档编号H02M7/219GK202565187SQ20122016196
公开日2012年11月28日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者陆继明, 谢俊文, 魏大洋, 王丹, 毛承雄 申请人:华中科技大学